用于研磨控制與優(yōu)化的顆粒測定

　　近年來，水泥行業(yè)在追求可持續(xù)發(fā)展方面取得了顯著的進(jìn)步，包括實(shí)現(xiàn)了極為苛刻的二氧化碳減排目標(biāo)。在2000至2006年間，全球水泥生產(chǎn)量增加了54%，而絕對CO₂排放量僅溫和上升了42%^[1] 。許多創(chuàng)新策略對此均發(fā)揮了作用，毫無疑問，該行業(yè)將需要采用更智能的技術(shù)，以持續(xù)減輕其對環(huán)境的影響。2009年，水泥技術(shù)路線圖明確規(guī)定了熱電效率、熟料替代、替代的燃料以及碳收集與儲存，作為四個(gè)潛在可改善的領(lǐng)域。

　　水泥制造過程產(chǎn)生的許多CO₂與熟料的生產(chǎn)有關(guān)，這就是在成品水泥中需要熟料替代物的原因，使用諸如高爐礦渣、飛灰及火山灰等材料將具有潛在的優(yōu)勢。然而，研磨熟料及任何相關(guān)的成分及替代物來生產(chǎn)成品水泥，需要相當(dāng)多的電能。由于目前水泥生產(chǎn)各階段必須最小化能耗，工廠控制必須接受更嚴(yán)密的監(jiān)督且需具有較強(qiáng)的自動化水平。更高效的研磨通過降低耗電量可實(shí)現(xiàn)直接的節(jié)約，同時(shí)支持成本效益以及成功采用熟料替代物。

　　在評估水泥業(yè)前景方面，水泥可持續(xù)性發(fā)展協(xié)會^[2]強(qiáng)調(diào)了必須采用工藝創(chuàng)新來實(shí)現(xiàn)提高資源及能源效率及長期的成本節(jié)約。對于研磨的精細(xì)控制，使用激光衍射技術(shù)進(jìn)行顆粒粒度分析則支持此類創(chuàng)新。這里，我們針對顆粒精細(xì)度的監(jiān)測，與傳統(tǒng)的 Blaine/比表面積測量方法相比較，對其優(yōu)勢進(jìn)行評估，檢驗(yàn)顆粒粒度分析如何協(xié)助該行業(yè)實(shí)現(xiàn)環(huán)境、效率及經(jīng)濟(jì)目標(biāo)。成熟的在線顆粒測定技術(shù)正不斷應(yīng)用于水泥生產(chǎn)過程中，提供靈活的商業(yè)解決方案。

圖1 水泥廠內(nèi)用于在線顆粒粒度測量的典型裝置

　　放棄 Blaine測量法?

　　Blaine 測量法在水泥業(yè)中具有悠久的歷史，并且一直保留著水泥標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定的性能參數(shù)。然而，伴隨行業(yè)對于高度加工效率的追求，在推動更為有效的研磨方面，Blaine 測量法的局限性愈發(fā)明顯。對于許多水泥制造商而言，Blaine測量法正逐漸被邊緣化，它僅僅成為周期性質(zhì)量控制檢查的工具，而并非研磨控制的主要信息來源，這一角色現(xiàn)已被激光衍射顆粒測定法所取代。作為一種很大程度上的人工技術(shù)，Blaine 的重現(xiàn)性較差，這一問題會由于缺乏足夠的操作及專業(yè)知識而變得更為嚴(yán)重。在某些公司，這影響降低了對數(shù)據(jù)的信任度，并因此促進(jìn)了激光衍射法的應(yīng)用，并將應(yīng)用Blaine 分析的可能降至最低。

　　激光衍射顆粒粒度分析的應(yīng)用可歸因于該技術(shù)的三個(gè)重要特點(diǎn)：全自動分析，具有針對實(shí)時(shí)過程監(jiān)測的可靠解決方案以及所得數(shù)據(jù)更精確的關(guān)聯(lián)具體的水泥性能。研磨的優(yōu)化及自動化依賴適合的信息流。從實(shí)際的觀點(diǎn)出發(fā)，通常為每小時(shí)報(bào)告的離線分析程序并不適用于精確的工廠監(jiān)測。當(dāng)使用激光衍射法進(jìn)行顆粒測定時(shí)，測量速度可通過轉(zhuǎn)為在線系統(tǒng)大大提升。其分析頻率高達(dá)每秒提供四個(gè)完整的粒度分布，即使針對迅速變化過程中的工藝，也能進(jìn)行全面監(jiān)測。此外，轉(zhuǎn)為在線測量可省去原本分析所需的人工輸入。勞動力的節(jié)省，在考慮任何額外經(jīng)濟(jì)收益及在實(shí)施自動化控制策略之前，可快速補(bǔ)償對該分析儀的資本投入。

　　除了以上實(shí)際的優(yōu)點(diǎn)外，激光衍射法還具有一項(xiàng)技術(shù)優(yōu)勢。當(dāng)該行業(yè)使用粒度分布數(shù)據(jù)而非使用 Blaine測量或比表面積的單一數(shù)值平均測量法時(shí)，即可得出不同粒級之間的聯(lián)系以及一些水泥性能方面的情況。對此的了解可幫助制造商掌握研磨度，提供需要的強(qiáng)度，使特定的研磨能耗降至最低。長期以來，粒度分布數(shù)據(jù)同樣支持熟料替代物以最佳的粒度成功融合。

　　實(shí)行在線粒度分析

　　在線激光衍射粒度測量包含從樣品提取到得出結(jié)果的整個(gè)自動化分析程序。對于一些應(yīng)用，自動化還可擴(kuò)展至工廠控制；對于另一些應(yīng)用，改善人工操作即可。完成一個(gè)在線項(xiàng)目必須包括：設(shè)計(jì)適合的過程界面；選擇適合的分析儀；安裝所有必要的設(shè)備；在現(xiàn)有的工廠控制平臺內(nèi)整合分析儀。在很多工廠里，還需要開發(fā)合適的自動控制戰(zhàn)略。

　　首先來看過程界面，水泥廠往往以極高的噸位流量運(yùn)行，這使得測量整個(gè)工藝流程變得不可行。這就是在線測量而非線內(nèi)測量成為標(biāo)準(zhǔn)的原因。圖 1顯示了水泥廠用于在線顆粒粒度測量的典型裝置。該工藝界面的設(shè)計(jì)旨在選取具有代表性的樣品，進(jìn)行約20 - 25 kg/hr的測量。這意味著待分析的材料量遠(yuǎn)大于使用離線測量法分析的材料量，從而使測量結(jié)果具有更高的統(tǒng)計(jì)完整性。首先使用螺旋鉆從工藝流程中選取大量得樣品流，然后使用文氏噴管從這些樣品流再提取有代表性的樣品流。從生產(chǎn)線中提取的所有水泥均可在測量后重新利用。

　　分析儀測量得出材料的粒度分布并將數(shù)據(jù)傳遞至電腦中。由此，操作員可按其需求調(diào)整測得并觀察結(jié)果數(shù)據(jù)。合適的軟件可簡化在更為復(fù)雜的控制系統(tǒng)內(nèi)的整合，例如：使多元過程控制變得更容易，這是測量中的理想目標(biāo)。

　　實(shí)時(shí)粒度測量一個(gè)優(yōu)點(diǎn)立竿見影的是能夠持續(xù)監(jiān)測研磨線路的性能，并能立即觀察到任何工藝變化造成的影響，從而提升人工控制的有效性。操作員只要在操作上稍加改變，即可看到是否已經(jīng)產(chǎn)生所需效果，而不用坐等實(shí)驗(yàn)室的反饋。

　　當(dāng)其用于操作全自動化控制時(shí)，實(shí)時(shí)粒度測量的優(yōu)點(diǎn)可以使價(jià)值最大化。在該技術(shù)利用方面的領(lǐng)先公司正在使用精密的多元設(shè)備控制包，選取一個(gè)或兩個(gè)粒度參數(shù)與其他數(shù)據(jù)配合使用。這可能包含進(jìn)料速率、分類速度、研磨速度、貫穿整個(gè)線路的空氣流量，以及所有用于持續(xù)推進(jìn)研磨設(shè)備至最佳運(yùn)行點(diǎn)的數(shù)據(jù)。最終的結(jié)果是確保以最低的可變成本生產(chǎn)出始終符合產(chǎn)品質(zhì)量目標(biāo)的高質(zhì)量產(chǎn)品。此類策略可提供大量的收益：降低研磨機(jī)能耗最高可達(dá)20%^[3] ；增加產(chǎn)出量；提高產(chǎn)品質(zhì)量一致性。

　　適合的技術(shù)

　　以上這些優(yōu)點(diǎn)證明了采用在線測量法的種種必要性，但此類項(xiàng)目的實(shí)用性還需要考慮到許多問題：是否有可用的可靠技術(shù)？人工操作、簡單的閉環(huán)控制、操作復(fù)雜的多元控制等不同情況下如何利用數(shù)據(jù)？工廠內(nèi)完成項(xiàng)目所需的專業(yè)技能及時(shí)間情況如何？專家支持在哪些方面最有用？

　　過去的十年間，激光衍射技術(shù)取得了顯著的進(jìn)步。高度可靠的分析系統(tǒng)已經(jīng)使用了多年，一些分析儀已經(jīng)在水泥業(yè)全天24小時(shí)不間斷地運(yùn)行了很長時(shí)間。其中變化最大的應(yīng)屬我們對于工藝中如何設(shè)計(jì)和整合系統(tǒng)的理解取得的巨大進(jìn)步。

　　在在線顆粒粒度測量技術(shù)發(fā)展的早期，企業(yè)通常會選擇購買設(shè)計(jì)完整的統(tǒng)包解決方案，在此方案中提供整個(gè)工作系統(tǒng)的所有風(fēng)險(xiǎn)均由儀器供應(yīng)商承擔(dān)。雖然這種方式具有潛在成本，但在該技術(shù)發(fā)展的初期階段，這種方式可有助于對技術(shù)的再次保證。隨著在線測量技術(shù)的不斷成熟，更多的企業(yè)期望轉(zhuǎn)向更符合其自身要求的在線測量打包方案。有完整設(shè)計(jì)的解決方案依然是一個(gè)受歡迎的選擇，但有另一種投資方式，可僅購買檢測設(shè)備并由企業(yè)內(nèi)部執(zhí)行所有其他的作業(yè)項(xiàng)目。

　　例如，一種低產(chǎn)量的水泥設(shè)施，可能只能生產(chǎn)幾個(gè)等級的產(chǎn)品并且完全在人工控制下運(yùn)行。水泥廠決定投資實(shí)時(shí)測量，以解放操作員進(jìn)行更高價(jià)值的工作，同時(shí)提供更高的產(chǎn)品質(zhì)量，但是卻沒有比簡單環(huán)路等級更高的自動化方案是基于顆粒粒度信息來調(diào)整分級機(jī)速度。這樣，最佳的解決方案可能是購買帶有基礎(chǔ)自動化技術(shù)包的檢測設(shè)備，并利用現(xiàn)有知識及出版文獻(xiàn)中提供的資料設(shè)計(jì)一些硬件。這種方法會壓低前期投資，而這也可能是該項(xiàng)目合理性的關(guān)鍵。

　　相比之下，高產(chǎn)量水泥廠的要求包括，提供多等級產(chǎn)品、期望通過數(shù)個(gè)研磨線路（可能包括用于生產(chǎn)替代材料的研磨線路）實(shí)現(xiàn)最先進(jìn)的多傳感器控制。這樣，就出現(xiàn)了投資更全面的分析儀技術(shù)包的案例。此類項(xiàng)目需要精密的自動化軟件及序列，要求專家應(yīng)用支持，以補(bǔ)充提供任何工廠內(nèi)部所需的設(shè)計(jì)資源。成功實(shí)施該技術(shù)的潛在收益足以證明投資該技術(shù)的價(jià)值，尤其是當(dāng)該技術(shù)初次實(shí)施時(shí)。在較大的企業(yè)，隨著經(jīng)驗(yàn)的積累，在多個(gè)現(xiàn)場不斷應(yīng)用該技術(shù)項(xiàng)目的更多部分由工廠內(nèi)部實(shí)施。這進(jìn)一步強(qiáng)調(diào)了這一案例，確保最初項(xiàng)目有效執(zhí)行并為后來更多的應(yīng)用做了很好的榜樣。

　　總結(jié)

　　開發(fā)對環(huán)境產(chǎn)生較少影響的水泥制造工藝，需要使用能不斷提高效率的真正智能的技術(shù)。一個(gè)值得關(guān)注的領(lǐng)域是熟料或替代物質(zhì)的研磨，在該領(lǐng)域中，實(shí)現(xiàn)粒度智能控制的設(shè)備做出了重要的貢獻(xiàn)。

　　激光衍射分析為粒度優(yōu)化及研磨效率的提高提供所需信息。最近幾年，激光衍射這種被證明可靠的工業(yè)技術(shù)已經(jīng)成為成熟的在線顆粒測定工具，為用戶在具體實(shí)施方面提供更多選擇。如今，在線粒度測量技術(shù)已被視為綜合性研磨優(yōu)化的基礎(chǔ)，該技術(shù)已將包括全面設(shè)計(jì)的解決方案與簡單的傳感器有機(jī)結(jié)合。無論企業(yè)的目標(biāo)是僅僅提高人工操作效率還是實(shí)現(xiàn)最先進(jìn)的多元統(tǒng)計(jì)工藝控制，相關(guān)適合的在線測量技術(shù)現(xiàn)在已充分商業(yè)化，并且隨時(shí)可為提高成品研磨的能源效率以及為整個(gè)水泥產(chǎn)業(yè)實(shí)現(xiàn)減能目標(biāo)發(fā)揮作用。

　　參考文獻(xiàn)：

　　1.Cement Technology Roadmap: Carbon emissions reduction up to 2050 (2009).

　　2.The cement sustainability initiative. Our agenda for action. July 2002.

　　3.D.Levonioan et al. Reducing costs. Worldcement.com July 2009.